CN106877646A - 适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统及方法，所述无线电压前馈控制系统包括N个控制支路，每个控制支路匹配一变换器；每个控制支路包括加法器、电流采样单元、比较器、驱动器、两个比例放大器和两个传递单元。将变换器的输入电压信号、输出电压信号和电流信号处理产生SPWM控制信号，驱动变换器的功率开关器件，实现输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制，确保输入串联/输出并联系统的稳定运行。本发明使电源变换器可以工作在更高输入电压的场合，降低了变换器中功率器件的电压应力和电流应力，避免了各变换器间的通信连接，增强了系统的可靠性，降低了设计的复杂性。

Description

适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种隔离型和非隔离型DC-DC变换器输入串联/输出并联的控制控制系统及方法。

背景技术

DC-DC变换器是一种将直流电能转换为有效输出固定电压的电能变换装置，按变换器输入端和输出端是否电气隔离，可分为非隔离型DC-DC变换器和隔离型DC-DC变换器，它们在各个领域中都有着广泛的应用。

随着现代工业的发展，用电设备的增加，对电源的可靠性的要求也越来越高，单个电源供电由于受到功率开关器件电压和电流应力的限制不能满足输入高压、高功率的场合，需要多个变换器以输入串联/输出并联的方式连接，从而使输入电压和输出功率平均分配到每个变换器中，降低了功率器件的电压和电流应力，提高了系统的可靠性。

传统DC-DC变换器输入串联/输出并联方法分为三环控制和相同占空比的控制策略。三环控制策略需要总输入电压采样，并将其加入控制环节，故需要多个输入串联/输出并联变换器之间的通信连接，此外在隔离型DC-DC变换器中，总输入电压采样还需隔离处理之后才能加入控制环节，这增加了控制的复杂程度，降低了系统的可靠性。相同占空比控制策略需要将一个DC-DC变换器的驱动信号传递给剩余的变换器，同样需要多个输入串联/输出并联变换器之间的通信连接，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有输入串联/输出并联系统控制复杂、可靠性差等不足，提供了一种新的输入串联/输出并联无线电压前馈控制系统及方法。本发明不仅能实现各模块间输入电压和输出功率的均分，此外，各输入串联/输出并联变换器间无需任何通信连接，控制方法简单，容易实现，可靠性高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统，所述输入串联/输出并联系统包括N个变换器，N为大于等于2的正整数；所述N个变换器的输入端串联、输出端并联。其特征在于，所述无线电压前馈控制系统包括N个控制支路，每个控制支路匹配一变换器；每个控制支路包括加法器、电流采样单元、比较器、驱动器、两个比例放大器和两个传递单元等。第一比例放大器的输入端与变换器的输入端连接，第一比例放大器的输出端与加法器的一个输入端相连，加法器的另一输入端输入参考电平V_ref，加法器的输出端连接第一传递单元的正输入端；第二比例放大器的输入端与变换器的输出端相连，第二比例放大器的输出端与第一传递单元的负输入端相连；第一传递单元的输出端连接第二传递单元的正输入端；电流采样单元的输出端与第二传递单元的负输入端相连，第二传递单元的输出端连接比较器的正输入端，比较器的负输入端输入载频为f的三角波信号，比较器的输出端连接驱动器；驱动器驱动变换器的功率开关器件。

进一步地，所述第一比例放大器和第二比例放大器结构相同，均包括电阻R₁、电阻R₂和电容C₁等，电阻R₂的一端与变换器的输入端连接，电阻R₂的另一端连接电阻R₁和电容C₁，电阻R₁和电容C₁的另一端均接地，电阻R₂的另一端为比例放大器的输入端，输出端电阻R₁、电阻R₂和电容C₁相连接的端口为比例放大器的输出端。

进一步地，所述第一传递单元和第二传递单元结构相同，均包括三个电阻R₃、R₄、R₅、四个电容C₂、C₃、C₄、C₅和第一运算放大器等。电阻R₃的一端和电阻R₅的一端相连，连接处为传递单元的负输入端；电阻R₅的另一端连接电容C₄的一端，电容C₄的另一端、电阻R₃的另一端、电容C₂的一端、电容C₃的一端均与第一运算放大器的负输入端相连，第一运算放大器的正输入端为传递单元的正输入端，电容C₂的另一端连接电阻R₄，电容C₃的另一端、电阻R₄的另一端均与第一运算放大器的输出端相连，连接处为传递单元的输出端。第一运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₅的一端接第一运算放大器的电源输入端，另一端接地。

进一步地，所述电流采样单元包括采样电阻、第二运算放大器、两个电容C₆、C₇和四个电阻R₆、R₇、R₈、R₉等。采样电阻的正端与电阻R₇相连，电阻R₇的另一端分别连接电阻R₈、电容C₇和第二运算放大器的负输入端，电阻R₈的另一端和电容C₇的另一端均接地；采样电阻的负端与电阻R₆相连，电阻R₆的另一端分别连接电阻R₉和第二运算放大器的负输入端；电阻R₉的另一端与第二运算放大器的输出端相连，连接处为电流采样单元的输出端。第二运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₆的一端接第二运算放大器的电源输入端，另一端接地。

一种适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制方法，包括以下步骤：

(1)变换器的输入电压信号V_in经第一比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输入电压采样信号V_{in_sample}＝R₁V_in/(R₁+R₂)，该输入电压采样信号与参考电平V_ref经加法器相加后产生调整参考电平V^* _ref＝V_ref+V_{in_sample}。

(2)变换器的输出电压信号V_out经第二比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输出电压采样信号V_{out_sample}＝R₁V_out/(R₁+R₂)，该输出电压采样信号与步骤1得到的调整参考电平由第一传递单元处理产生电流基准信号I_ref。

(3)电流采样单元采集变换器的电流信号，输出电流采样信号I_{out_sample}：

I_{out_sample}＝(V₊-V_-)·R₈/R₆

其中，V₊和V_-分别为采样电阻的正端电压和负端电压，电阻大小满足R₆＝R₇，R₈＝R₉。

(4)步骤2得到的电流基准信号和步骤3得到的输出电流采样信号经第二传递单元处理产生电流误差放大信号。

(5)步骤4产生的电流误差放大信号与载频为f的三角波由比较器比较产生SPWM控制信号。当电流误差放大信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出为正电平；反之，当电流误差放大信号幅值小于三角波幅值时，比较器输出为负电平。该SPWM控制信号经驱动功率放大后，驱动变换器的功率开关器件。实现输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制，确保输入串联/输出并联系统的稳定运行。

本发明所达到的有益效果：本发明采用输入串联结构，使各变换器的的输入电压仅为总输入电压的1/N(N为输入串联/输出并联系统中变换器个数)，这使电源变换器可以工作在更高输入电压的场合，降低了变换器中功率器件的电压应力；本发明采用输出并联结构，使各变换器的输出功率仅为总输出功率的1/N，这使电源变换器可以工作在更大功率的场合，降低了变换器中功率器件的电流应力；本发明采用无线电压前馈控制方法，各输入串联/输出并联变换器仅需将自身输入电压加入电压前馈控制环节，避免了各变换器间的通信连接，增强了系统的可靠性；本发明采用的输入电压前馈控制未改变变换器的闭环系统特性，避免了变换器闭环系统的重新设计，降低了设计的复杂性。

附图说明

图1是多个输入串联/输出并联变换器的连接图；

图2是比例放大器的电路图；

图3是传递单元的电路图；

图4是电流采样单元的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统，所述输入串联/输出并联系统包括N个变换器，N为大于等于2的正整数；所述N个变换器的输入端串联、输出端并联。所述无线电压前馈控制系统包括N个控制支路，每个控制支路匹配一变换器；每个控制支路包括加法器、电流采样单元、比较器、驱动器、两个比例放大器和两个传递单元。第一比例放大器的输入端与变换器的输入端连接，第一比例放大器的输出端与加法器的一个输入端相连，加法器的另一输入端输入参考电平V_ref，加法器的输出端连接第一传递单元的正输入端；第二比例放大器的输入端与变换器的输出端相连，第二比例放大器的输出端与第一传递单元的负输入端相连；第一传递单元的输出端连接第二传递单元的正输入端；电流采样单元的输出端与第二传递单元的负输入端相连，第二传递单元的输出端连接比较器的正输入端，比较器的负输入端输入载频为f的三角波信号，比较器的输出端连接驱动器；驱动器驱动变换器的功率开关器件。

变换器的输入电压信号V_in经第一比例放大器作用后，产生输入电压采样信号V_{in_sample}，该输入电压采样信号与参考电平V_ref经加法器相加后得到调整参考电平V^* _ref；变换器的输出电压V_out经第二比例放大器作用后，产生输出电压采样信号V_{out_sample}，该输出电压采样信号与调整参考电平V^* _ref经第一传递单元处理产生电流基准信号I_ref；电流采样单元采集变换器的输出电流值，产生输出电流采样信号I_{out_sample}；电流基准信号I_ref与输出电流采样信号I_{out_sample}经第二传递单元处理产生电流误差放大信号；电流误差放大信号与载频为f的三角波比较，产生SPWM控制信号，经驱动器驱动功率放大后，驱动变换器的功率开关器件。

图1中变换器的结构为Buck变换器，但本发明不限于此。实际上，本发明中，变换器可以采用任意隔离型DC-DC变换器，例如半桥变换器、全桥变换器、反激变换器、正激变换器等，也可以采用任意非隔离型DC-DC变换器，例如Buck变换器、Boost变换器、Buck-boost变换器等。

如图2所示，所述第一比例放大器和第二比例放大器结构相同，均包括电阻R₁、电阻R₂和电容C₁，电阻R₂的一端与变换器的输入端连接，电阻R₂的另一端连接电阻R₁和电容C₁，电阻R₁和电容C₁的另一端均接地，电阻R₂的另一端为比例放大器的输入端，输出端电阻R₁、电阻R₂和电容C₁相连接的端口为比例放大器的输出端。

如图3所示，所述第一传递单元和第二传递单元结构相同，均包括三个电阻R₃、R₄、R₅、四个电容C₂、C₃、C₄、C₅和第一运算放大器。电阻R₃的一端和电阻R₅的一端相连，连接处为传递单元的负输入端；电阻R₅的另一端连接电容C₄的一端，电容C₄的另一端、电阻R₃的另一端、电容C₂的一端、电容C₃的一端均与第一运算放大器的负输入端相连，第一运算放大器的正输入端为传递单元的正输入端，电容C₂的另一端连接电阻R₄，电容C₃的另一端、电阻R₄的另一端均与第一运算放大器的输出端相连，连接处为传递单元的输出端。第一运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₅的一端接第一运算放大器的电源输入端，另一端接地。

所述第一传递单元和第二传递单元为PID控制电路，第一传递单元可以减小输出电压误差信号，实现输出电压的稳定输出。第二传递单元可以防止变换器瞬间电流过大，以保护整个变换器系统的安全；

如图4所示，所述电流采样单元为差分采样电路，包括采样电阻、第二运算放大器、两个电容C₆、C₇和四个电阻R₆、R₇、R₈、R₉。采样电阻的正端与电阻R₇相连，电阻R₇的另一端分别连接电阻R₈、电容C₇和第二运算放大器的负输入端，电阻R₈的另一端和电容C₇的另一端均接地；采样电阻的负端与电阻R₆相连，电阻R₆的另一端分别连接电阻R₉和第二运算放大器的负输入端；电阻R₉的另一端与第二运算放大器的输出端相连，连接处为电流采样单元的输出端。第二运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₆的一端接第二运算放大器的电源输入端，另一端接地。

本发明适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制方法，包括以下步骤：

1.变换器的输入电压信号V_in经第一比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输入电压采样信号V_{in_sample}＝R₁V_in/(R₁+R₂)，该输入电压采样信号与参考电平V_ref经加法器相加后产生调整参考电平V^* _ref＝V_ref+V_{in_sample}。

2.变换器的输出电压信号V_out经第二比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输出电压采样信号V_{out_sample}＝R₁V_out/(R₁+R₂)，该输出电压采样信号与步骤1得到的调整参考电平由第一传递单元处理产生电流基准信号I_ref。

3.电流采样单元采集变换器的电流信号，输出电流采样信号I_{out_sample}：

I_{out_sample}＝(V₊-V_-)·R₈/R₆

其中，V₊和V_-分别为采样电阻的正端电压和负端电压，电阻大小满足R₆＝R₇，R₈＝R₉。

4.步骤2得到的电流基准信号和步骤3得到的输出电流采样信号经第二传递单元处理产生电流误差放大信号，其中第二减法器和第二传递单元由三个电阻(R₁₀、R₁₁、R₁₂)、三个电容(C₇、C₈、C₉)和运算放大器组成PID控制电路，可以防止变换器瞬间电流过大，以保护整个变换器系统的安全。

5.步骤4产生的电流误差放大信号与载频为f的三角波由比较器比较产生SPWM控制信号。当电流误差放大信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出为正电平；反之，当电流误差放大信号幅值小于三角波幅值时，比较器输出为负电平。该SPWM控制信号经驱动功率放大后，驱动变换器的功率开关器件。实现输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制，确保输入串联/输出并联系统的稳定运行。

Claims (5)

1.一种适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制系统，所述输入串联/输出并联系统包括N个变换器，N为大于等于2的正整数；所述N个变换器的输入端串联、输出端并联。其特征在于，所述无线电压前馈控制系统包括N个控制支路，每个控制支路匹配一变换器；每个控制支路包括加法器、电流采样单元、比较器、驱动器、两个比例放大器和两个传递单元等。第一比例放大器的输入端与变换器的输入端连接，第一比例放大器的输出端与加法器的一个输入端相连，加法器的另一输入端输入参考电平V_ref，加法器的输出端连接第一传递单元的正输入端；第二比例放大器的输入端与变换器的输出端相连，第二比例放大器的输出端与第一传递单元的负输入端相连；第一传递单元的输出端连接第二传递单元的正输入端；电流采样单元的输出端与第二传递单元的负输入端相连，第二传递单元的输出端连接比较器的正输入端，比较器的负输入端输入载频为f的三角波信号，比较器的输出端连接驱动器；驱动器驱动变换器的功率开关器件。

2.根据权利要求1所述的无线电压前馈控制系统，其特征在于，所述第一比例放大器和第二比例放大器结构相同，均包括电阻R₁、电阻R₂和电容C₁等，电阻R₂的一端与变换器的输入端连接，电阻R₂的另一端连接电阻R₁和电容C₁，电阻R₁和电容C₁的另一端均接地，电阻R₂的另一端为比例放大器的输入端，输出端电阻R₁、电阻R₂和电容C₁相连接的端口为比例放大器的输出端。

3.根据权利要求1所述的无线电压前馈控制系统，其特征在于，所述第一传递单元和第二传递单元结构相同，均包括三个电阻R₃、R₄、R₅、四个电容C₂、C₃、C₄、C₅和第一运算放大器等。电阻R₃的一端和电阻R₅的一端相连，连接处为传递单元的负输入端；电阻R₅的另一端连接电容C₄的一端，电容C₄的另一端、电阻R₃的另一端、电容C₂的一端、电容C₃的一端均与第一运算放大器的负输入端相连，第一运算放大器的正输入端为传递单元的正输入端，电容C₂的另一端连接电阻R₄，电容C₃的另一端、电阻R₄的另一端均与第一运算放大器的输出端相连，连接处为传递单元的输出端。第一运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₅的一端接第一运算放大器的电源输入端，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的无线电压前馈控制系统，其特征在于，所述电流采样单元包括采样电阻、第二运算放大器、两个电容C₆、C₇和四个电阻R₆、R₇、R₈、R₉等。采样电阻的正端与电阻R₇相连，电阻R₇的另一端分别连接电阻R₈、电容C₇和第二运算放大器的负输入端，电阻R₈的另一端和电容C₇的另一端均接地；采样电阻的负端与电阻R₆相连，电阻R₆的另一端分别连接电阻R₉和第二运算放大器的负输入端；电阻R₉的另一端与第二运算放大器的输出端相连，连接处为电流采样单元的输出端。第二运算放大器的接地端接地，电源输入端接5V电源；电容C₆的一端接第二运算放大器的电源输入端，另一端接地。

5.一种采用权利要求1所述系统的适用于输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)变换器的输入电压信号V_in经第一比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输入电压采样信号V_in__sample＝R₁V_in/(R₁+R₂)，该输入电压采样信号与参考电平V_ref经加法器相加后产生调整参考电平V*_ref＝V_ref+V_in__sample。

(2)变换器的输出电压信号V_out经第二比例放大器，通过电阻R₁和电阻R₂分压后，产生输出电压采样信号Vo_ut__sample＝R₁Vo_ut/(R₁+R₂)，该输出电压采样信号与步骤1得到的调整参考电平由第一传递单元处理产生电流基准信号I_ref。

(3)电流采样单元采集变换器的电流信号，输出电流采样信号Io_ut__sample：

Io_ut__sample＝(V₊-V_-)·R₈/R₆

其中，V₊和V_-分别为采样电阻的正端电压和负端电压，电阻大小满足R₆＝R₇，R₈＝R₉。

(4)步骤2得到的电流基准信号和步骤3得到的输出电流采样信号经第二传递单元处理产生电流误差放大信号。

(5)步骤4产生的电流误差放大信号与载频为f的三角波由比较器比较产生SPWM控制信号。当电流误差放大信号幅值大于三角波幅值时，比较器输出为正电平；反之，当电流误差放大信号幅值小于三角波幅值时，比较器输出为负电平。该SPWM控制信号经驱动功率放大后，驱动变换器的功率开关器件。实现输入串联/输出并联系统的无线电压前馈控制，确保输入串联/输出并联系统的稳定运行。